[論文レビュー] Service Function Chaining Resource Allocation: A Survey

Yanghao Xie, Zhixiang Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2016

Software-Defined Networks and 5G参考文献 75被引用数 69

ひとこと要約

本調査は、ネットワークファンクション仮想化（NFV）環境におけるサービス機能チェーニングリソース割り当て（SFC-RA）アルゴリズムについて包括的な分析を提供し、施設配置問題や一般化割り当て問題（GAP）に類似したNP困難な最適化課題として問題を定式化している。中央集権的および分散型の手法をレビューし、MILP や ILP といった主要な定式化を強調するとともに、スケーラビリティとマルチドメイン展開が、分散型 SFC-RA における今後の重要な研究分野であると指摘しているが、現時点での関連研究は限定的である。

ABSTRACT

Service Function Chaining (SFC) is a crucial technology for future Internet. It aims to overcome the limitation of current deployment models which is rigid and static. Application of this technology relies on algorithms that can optimally mapping SFC to substrate network. This category of algorithms is referred as "Service Function Chaining Resource Allocation (SFC-RA)" algorithms or "VNF placement (VNFP)" algorithms. This paper presents a survey of current researches in SFC-RA algorithms. After presenting the formulation and related problems, several variants of SFC-RA problem are summarized. At last, we discussed several future research directions.

研究の動機と目的

• NFV環境における仮想ネットワーク関数（VNF）の効率的配置のための、既存のSFC-RAアルゴリズムを体系的に調査すること。
• 中央集権的および分散型の展開モデルを含む、SFC-RA問題の主なバリエーションを特定・分類すること。
• SFC-RAと、仮想ネットワーク埋め込み（VNE）や仮想マシン配置といった関連問題との関係を分析すること。
• 特に分散型およびマルチドメインSFC-RAにおける未解決の課題を強調し、未開拓の研究分野を特定すること。

提案手法

• 本論文は、SFC-RAを最適化問題として定式化し、施設配置問題や一般化割り当て問題（GAP）と類似しているとし、両者ともにNP困難であると述べている。
• 最適解のモデリングに適した数学的定式化として、混合整数線形プログラミング（MILP）、混合整数二次制約プログラミング（MIQCP）、整数線形プログラミング（ILP）をレビューしている。
• 計算的に不適切な問題を扱うために、ビタビアルゴリズムに基づくヒューリスティクスや近似最適化スキームを含むヒューリスティクスおよび近似アルゴリズムを評価している。
• 単一の実体が配置を計算する中央集権的アプローチと、スケーラビリティおよびマルチプロバイダー展開の制限を克服するための新興の分散型モデルを比較している。
• データセンター固有のSFC-RAを分析し、ファットツリーおよびBCubeのような規則的なトポロジーを活用して、トポロジーに配慮した配置アルゴリズムを設計している。
• 複数ドメインおよび異種環境を検討し、データセンター、通信事業者、CPEなどの管理ドメインをまたがるVNFの展開を想定し、信頼境界を越えた調整を必要としている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NFV環境におけるSFC-RA問題を表現するために使用される主な定式化および数学的モデルは何か？
• RQ2 中央集権的および分散型SFC-RAアプローチは、スケーラビリティ、パフォーマンス、展開可能性においてどのように異なるか？
• RQ3 特に信頼性、調整、QoE最適化の観点から、マルチドメインおよび異種SFC-RAにおける主な課題は何か？
• RQ4 データセンター固有のトポロジーは、SFC-RAアルゴリズムの設計およびパフォーマンスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 動的でマルチプロバイダーかつレジリエントな展開シナリオにおいて、分散型SFC-RAにおける未解決の研究ギャップは何か？

主な発見

• SFC-RA問題は正式にNP困難であることが証明されており、施設配置問題や一般化割り当て問題（GAP）といった既知のNP困難問題に還元可能である。
• ビタビアルゴリズムに基づくヒューリスティクスや近似アルゴリズムは、最適値の1.3倍以内の解を達成でき、パフォーマンスと複雑さの実用的トレードオフを実現している。
• 中央集権的SFC-RAアプローチはスケーラビリティの問題を抱えており、マルチプロバイダーまたはマルチドメイン環境では不適切であるため、分散型代替案の導入が不可欠である。
• Nestor や MIDAS、DistNSE といった分散型SFC-RAソリューションが提案されているが、この分野における文献は依然として希薄で未発達である。
• データセンター環境では、ファットツリーおよびBCubeのような規則的なトポロジーが、より効率的でレジリエントなSFC埋め込みを可能にし、2段階ツリー構造トポロジーが優れた可用性を示している。
• マルチドメインSFC-RAは、ユーザーに近い場所にVNFを配置し、データセンターに機能を集約することで、QoE向上とコスト削減の利点を提供するが、管理、帯域幅交渉、信頼性のための高度な調整メカニズムを必要としている。